modulo de frecuencia intermedia del receptor de holografía para el

MÓDULO DE FRECUENCIA INTERMEDIA DEL RECEPTOR
DE HOLOGRAFÍA PARA EL RADIOTELESCOPIO DE 40
METROS DEL CENTRO ASTRONÓMICO DE YEBES
INFORME TÉCNICO OAN 2004-7
Mayo 2004
José Antonio López Pérez
Carlos Almendros Muñoz
José Antonio Abad Abad
-1-
MÓDULO DE FRECUENCIA INTERMEDIA DEL RECEPTOR
HOLOGRAFÍA PARA EL RADIOTELESCOPIO DE 40 METROS
CENTRO ASTRONÓMICO DE YEBES
DE
DEL
José A. López Pérez, Carlos Almendros Muñoz, José A. Abad Abad
Mayo, 2004. CAY/OAN/IGN.
I. Introducción.
El presente informe tiene por objeto la descripción detallada del diseño,
construcción y caracterización de la etapa de frecuencia intermedia del receptor de
holografía en banda Ku del radiotelescopio de 40 metros del Centro Astronómico de
Yebes.
El esquema general del sistema de holografía para el radiotelescopio de 40m,
dado en [1], se muestra en la figura siguiente:
40m IGN
Cabina del Subreflector
RS-422
Módulo
RF
Señal FI referencia
70MHz
Señal FI test
70MHz
Módulo
FI
Sintetizador Racal-Dana
69.980MHz
R mon (70MHz)
T mon (70MHz)
Detector de continuo
OAY-14
Sala de Servos
T (70MHz,100KHz)
20KHz R
20KHz T
Ordenador
Holografía
ACU
Analizador FFT
Analizador Espectro
LAN
GPIB
Sala de Control
Figura 1: Diagrama de bloques general del sistema de holografía.
-2-
Como se menciona en [1], el sistema de holografía consta de los siguientes
elementos:
- Módulo RF, que se encarga de convertir las señales de RF captadas por cada bocina
(test y referencia) a una frecuencia intermedia (70MHz).
- Módulo FI, que se encarga de convertir las señales de FI (70MHz) a una frecuencia
más baja (20KHz) capaz de ser procesada por el analizador de FFT. También genera un
conjunto se señales de monitorización.
- Analizador de FFT, encargado de calcular la amplitud y la fase del diagrama de
radiación en cada punto mediante comparación de las señales a 20KHz de test y de
referencia.
- Analizador de espectros, utilizado para la puesta en marcha del sistema y para la
monitorización de la radiobaliza del satélite que se observa.
- Ordenador de holografía, encargado de generar la tabla de posiciones en acimut y
elevación, en función del tiempo, correspondientes al mapa a medir y transferirla al
ordenador de control de antena (ACU), así como de la lectura de los datos de amplitud y
fase suministrados por el analizador de FFT y la lectura de datos de posición
proporcionados por el ACU. También es usado para el control de los conversores de
frecuencia del módulo RF y para la monitorización de la señal de test proporcionada por
el módulo FI a través del detector de continuo.
e interacciona con los siguientes equipos del radiotelescopio:
- ACU, ordenador que controla el movimiento de la antena
- Sintetizador Racal-Dana, que proporciona al módulo FI la señal de oscilador local a
69.98 MHz necesaria para la conversión a 20KHz.
- Detector de continuo (unidad OAY-14), que proporciona una señal continua cuyo
nivel es proporcional a la potencia de la señal de test.
-3-
II. Diseño y construcción.
El módulo de frecuencia intermedia se muestra en la figura siguiente:
Señal FI
Monitor Referencia
Mini-Circuits
Señal FI referencia
del conversor
FI 70MHz
-40dBm
Filtro Paso ZFL-500HLN
Banda
G=19dB min
fo=70MHz
BW=4MHz
L=2.9dB
Filtronetics
FN-3128
Mini-Circuits
ZFRSC-42
L=6dB
Del Sintetizador
Racal-Dana
fo=70MHz
G=19dB min +7dBm
BW=7KHz L=4.5dB
Filtronetics FN-1911MT
L=6dB G=19dB min
FI 70MHz
-20dBm
Filtro Paso Mini-Circuits
ZFL-500HLN
Banda
fo=70MHz
G=19dB min
BW=4MHz
L=2.9dB
Filtronetics
FN-3128
Señal de Referencia
al Analizador FFT
BW=30KHz
L=2dB
Filtronetics
FN-3129
20KHz
-17.3dBm
Mini-Circuits
ZFL-500HLN
69.980 MHz
0dBm
Mini-Circuits
ZFRSC-42
L=6dB
G=19dB min
L=6dB
Filtro Paso
Banda
Señal FI test
del conversor
70MHz
-28.2dBm
Mini-Circuits
Filtro Paso Mini-Circuits Mixer ZLW-1-1 Filtro Paso
ZFL-500HLN
L=4.8dB
Bajo
Banda
Mini-Circuits
ZFL-500HLN
+7dBm
Filtro Paso
Bajo
Señal de Referencia
al Analizador FFT
fo=70MHz
Mini-Circuits BW=30KHz
BW=7KHz L=4.5dB Mixer ZLW-1-1
L=2dB
Filtronetics FN-1911MT
L=4.8dB
Filtronetics
FN-3129
Mini-Circuits
ZFSC-3-1
L=6dB
Filtro Paso
Banda
20KHz
-15.5dBm
Señal FI
Monitor Test
70MHz
-6.7dBm
Señal FI de test
para detector de continuo
fo=70MHz
BW=100KHz
L=5.36dB
Filtronetics FN-2523WT
70MHz
-12.2dBm
Figura 2: Diagrama de bloques detallado del módulo de frecuencia intermedia.
Las dos señales FI 70MHz (test y referencia) procedentes del módulo de
radiofrecuencia son filtradas por sendos filtros paso banda (FN-3128 de Filtronetics) al
ancho de banda de FI del módulo de radiofrecuencia (70MHz ± 2MHz). A continuación,
su nivel es aumentado por sendos amplificadores ZFL-500HLN de Mini-Circuits y
posteriormente divididas para general señales de monitorización.
Una copia de cada señal es filtrada muy selectivamente a 7KHz de ancho de banda
(FN-1911MT de Filtronetics) para eliminar radiobalizas adyacentes y ruido. Dichas
copias son mezcladas con el oscilador local externo (Racal-Dana a 69.98MHz) para
generar sendos tonos a 20KHz, que son filtrados paso bajo (FN-3129 de Filtronetics)
para evitar aliasing en el procesado, eliminar armónicos y ruido.
-4-
Todos los componentes fueron adquiridos con conectores SMA para su integración
en un rack 2U de 19”.
La siguiente fotografía muestra el interior del módulo de frecuencia intermedia,
junto con la fuente de alimentación en la esquina inferior derecha.
Figura 3: Interior del módulo de frecuencia intermedia.
En los anexos se encuentran las especificaciones de cada uno de los componentes
utilizados, así como medidas de algunos de ellos.
-5-
III. Caracterización.
Para las medidas, salvo indicación expresa encontra, se utilizó el generador de RF
Rohde-Schwarz SMR40 para generar las señales de 70MHz @ -20dBm (canal de test) y
70MHz @ -40dBm (canal de referencia) que sirven como entrada al módulo de FI.
También se utilizó el sintetizador Racal-Dana 3101 para generar la señal de 69.98MHz
@ 0dBm que sirve como oscilador local.
Niveles de potencia:
El nivel nominal de potencia de las señales FI 70MHz test y referencia de entrada
será de -20dBm y -40dBm, respectivamente. Así las cosas, los niveles en las salidas
serán los siguientes:
FI 70MHz FI 70MHz FI 70MHz
FI 70MHz
20KHz
FI 70MHz reference
test
100KHz
20KHz test
Reference
reference
test input
monitor
monitor
monitor
output
input
output
output
output
output
-40dBm
-20dBm
-28.2dBm
-6.7dBm
-12.2dBm
-17.3dBm
-15.5dBm
Tabla 1: Niveles de potencia del módulo de FI.
Aislamiento:
El aislamiento entre los canales (test y referencia) del módulo de FI es mayor de
90dB, medido en las salidas de 20KHz con el analizador de FFT.
-6-
Linealidad:
La tabla siguiente muestra la potencia de señal en las salidas del canal de test en
función de la potencia. El objeto de esta medida es determinar la linealidad o punto de
compresión a 1dB de ambos canales módulo de frecuencia intermedia.
Pin 70MHz
Test
(dBm)
-3
-4
-5
-6
-7
-8
-9
-10
-11
-12
-13
-14
-15
-16
-17
-18
-19
-20
-21
-22
-23
-24
-25
-26
-27
-28
-29
-30
-35
-40
Pout 70MHz
Test Monitor
(dBm)
9,8
8,8
8
7
6
5
4
3
2
1,2
-0,2
-1
-1,8
-2,8
-3,8
-4,8
-5,8
-6,7
-7,7
-8,7
-9,7
-10,7
-11,7
-12,7
-13,7
-14,8
-15,8
-16,8
-21,8
-27
Pout 20KHz
Test
(dBm)
-5,1
-5,4
-5,5
-5,8
-6
-6,4
-6,7
-7,2
-7,8
-8,3
-9
-9,8
-10,7
-11,6
-12,6
-13,5
-14,5
-15,5
-16,5
-17,5
-18,5
-19,5
-20,4
-21,4
-22,4
-23,5
-24,5
-25,5
-30,5
-35,6
Pout 70MHz
100KHz Monitor
(dBm)
4,7
3,7
2,7
1,7
0,8
-0,2
-1,2
-2,2
-3,2
-4,2
-5,2
-6,2
-7,2
-8,2
-9,7
-10,1
-11,2
-12,2
-13,2
-14,2
-15,2
-16,2
-17,2
-18,2
-19
-20,2
-21,2
-22,3
-27,3
-32,3
Conversion
Gain
(dB)
-2,1
-1,4
-0,5
0,2
1
1,6
2,3
2,8
3,2
3,7
4
4,2
4,3
4,4
4,4
4,5
4,5
4,5
4,5
4,5
4,5
4,5
4,6
4,6
4,6
4,5
4,5
4,5
4,5
4,4
Tabla 2: Medidas de linealidad del canal de test del módulo de FI.
La primera columna recoge las potencias aplicadas a la entrada. En la segunda,
tercera y cuarta columnas figuran las potencias resultantes en las salidas 70MHz test
monitor, 20KHz test y 70MHz/100KHz monitor, respectivamente. Por su parte, la
última columnas refleja la ganancia de la conversión entre la entrada y la señal de
20KHz test generada para el analizador FFT.
La ganancia de la etapa es de 4.5dB, por tanto, el punto de compresión de 1dB de
ganancia es, aproximadamente, -11dBm a la entrada del módulo (ganancia ≃ 3.5dB).
Dado que la potencia nominal de entrada se ajustará con el módulo de RF para que sea
de -20dBm cuando se observe la radiobaliza del satélite, en dirección boresight, resulta
que el módulo operará con una potencia de entrada 9dB menor que la de 1dB de
compresión (saturación). Por tanto, el comportamiento lineal de canal de test está
asegurado.
-7-
Por lo que respecta al canal de referencia, la tabla siguiente presenta las medidas:
Pin 70MHz
Reference
(dBm)
-20
-21
-22
-23
-24
-25
-26
-27
-28
-29
-30
-31
-32
-33
-34
-35
-36
-37
-38
-39
-40
-41
-42
-43
-44
-45
-46
-47
-48
-49
-50
-55
-60
-65
-70
Pout 70MHz
Reference Monitor
(dBm)
-8
-9
-10
-11
-12
-13
-14
-15
-16,2
-17,2
-18,2
-19,2
-20,2
-21,2
-22,2
-23
-24,2
-25,2
-26,3
-27,2
-28,2
-29,2
-30,3
-31,3
-32,3
-33,3
-34,2
-35,2
-36,3
-37,3
-38,3
-43,3
-48,2
-53,2
-58,3
Pout 20KHz
Reference
(dBm)
-4,9
-5
-5,3
-5,6
-5,8
-6
-6,3
-6,6
-6,9
-7,5
-8
-8,8
-9,5
-10,4
-11,3
-12,2
-13,1
-14,1
-15,3
-16,3
-17,3
-18,3
-19,2
-20,2
-21,2
-22,2
-23,2
-24,2
-25,2
-26,2
-27,2
-32,2
-37,1
-42
-47,2
Conversion
Gain
(dB)
15,1
16
16,7
17,4
18,2
19
19,7
20,4
21,1
21,5
22
22,2
22,5
22,6
22,7
22,8
22,9
22,9
22,7
22,7
22,7
22,7
22,8
22,8
22,8
22,8
22,8
22,8
22,8
22,8
22,8
22,8
22,9
23
22,8
Tabla 3: Medidas de linealidad del canal de referencia del módulo de FI.
La ganancia de esta etapa es de 22.8dB. Este valor es 18.3dB mayor que la
ganancia de canal de test para compensar parte de la diferencia de ganancia que hay
entre las antenas de cada canal.
El punto de compresión 1dB de ganancia está a -30dBm de potencia de entrada.
Como el nivel nominal de entrada en este canal es de unos -40dBm, de nuevo estará
funcionando a unos 10dB por debajo de la saturación. Esto implica que el canal de
referencia también trabajará en régimen lineal.
-8-
La figura siguiente presenta las medidas de la tablas 2 y 3 de forma gráfica.
Figura 4: Linealidad del módulo de frecuencia intermedia.
-9-
Influencia de la potencia del oscilador local externo:
Se ha medido también la influencia de la potencia del oscilador local (Racal-Dana
@ 69.98MHz) en la potencia de salida de la señal y, por tanto, en las pérdidas de
conversión del módulo. La potencia en las entradas se mantuvo constante a -20dBm
(test) y -40dBm (referencia).
La tabla siguiente muestra las medidas:
Nivel OL
(dBm)
3
2
1
0
-3
-6
-9
Pout 20KHz
Test (dBm)
-15,2
-15,3
-15,3
-15,4
-15,9
-17
-18,6
Pout 20KHz
Ref (dBm)
-17,2
-17,3
-17,3
-17,3
-17,5
-17,9
-18,5
Tabla 3: Influencia del nivel de OL.
Se observa que en todo el rango de nivel de oscilador local medido, la ganancia
cambia 3.4dB para el canal de test y 1.3dB para el canal de referencia, lo cual permitiría
al módulo funcionar con potencias menores de oscilador local, si fuese necesario.
Obsérvese que el diseño de la división de la señal del oscilador local incluye dos
amplificadores, con ganancia mínima 19dB. En realidad, los amplificadores tienen una
ganancia algo mayor (20.7dB @ 70MHz) y seguramente distinta cada uno.
Forma de la banda de paso en las salidas de 20KHz:
La forma de la banda de paso en las salidas de 20KHz de cada canal (test y
referencia) se muestra en la figura de la página siguiente.
Puede observarse que el ancho de banda a -3dB es de unos 10KHz.
- 10 -
Figura 5: Forma de la banda de paso
del módulo de frecuencia intermedia
en las salidas de 20KHz.
- 11 -
Forma de la banda de paso en las salidas 70MHz monitor:
La forma de la banda de paso en la salida “70MHz test monitor” se muestra en la
figura 6 y la correspondiente a la salida “70MHz reference monitor” en la figura 7. Estas
formas se corresponden con la de los filtros FN-3128 de Filtronetics. El ancho de banda
es de 4.5MHz @ -3dB, aproximadamente.
Figura 6: Forma de la banda de paso del módulo FI
en la salida 70MHz test monitor.
Figura 7: Forma de la banda de paso del módulo FI
en la salida 70MHz reference monitor.
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Forma de la banda de paso en la salida 70MHz 100KHz test:
La forma de la banda de paso en la salida “70MHz 100KHz test” se muestra en la
figura 8. Puede comprobarse que esta forma se corresponde con la del filtro FN2523WT de Filtronetics. El ancho de banda es de 111KHz @ -3dB, aproximadamente.
Figura 8: Forma de la banda de paso del módulo FI
en la salida 70MHz 100KHz test.
Temperatura:
La temperatura del disipador de la fuente de alimentación se encuentra entre 3132ºC en condiciones estacionarias. La temperatura de la etapa FI propiamente no se
llegó a medir, si bien la inercia términa será muy grande debido al montaje utilizado
para los componentes sobre planchas de duraluminio.
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Estabilidad:
Las medidas que se muestran bajo este epígrafe muestran la variación de la
amplitud y la fase medida por el analizador FFT durante las tres primeras horas tras
encender el módulo FI del receptor. Ello nos permitirá determinar cuanto tiempo tarda
el módulo en estar preparado para la realización de observaciones de holografía.
Por tanto, se enchufó la FI una hora después de enchufar el Racal-Dana (lo
69.98MHz), el analizador FFT y el generador Rohde (70MHz para simular la
radiobaliza en FI). Así se dio tiempo a estabilizar esos equipos para ver sólo la
variación/estabilidad de la etapa FI.
La estabilidad en amplitud y fase se muestran en la gráficas siguientes:
Figura 9: Deriva de la amplitud.
Se observa que durante la primera hora, la amplitud cambia un 1.9%, durante la
segunda hora un 0.8% y durante la tercera hora, un 0.15%, tendiendo a un valor
constante conforme el módulo se estabiliza.
- 14 -
Figura 10: Deriva de la fase.
En cuanto a la deriva de fase, durante la primera hora cambia un 0.2%, en la
segunda hora un 0.06% y en la tercera un 0.008%. Esta variación es despreciable
cuando el módulo de FI se estabiliza, lo que ocurre al cabo de unas 3 horas.
IV. Referencias.
[1]
José A. López Pérez: “Diseño preliminar de receptor de holografía coherente
para el radiotelescopio de 40m del Centro Astronómico de Yebes”. Quinta parte
del informe: “Sistemas de holografía de microondas para caracterización de
superficies reflectoras”. Informe Técnico OAN 2004-5. Abril 2004.
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Anexo I: Esquema del módulo FI.
- 16 -
Anexo II: Medidas de un amplificador ZFL-500HLN de
Mini-Circuits.
- 17 -
Anexo III: Especificaciones de los componentes del
módulo FI.
- 18 -
Anexo IV: Medidas de los filtros del módulo FI.
- 19 -